Optical Signals Synthesized from an Optical Lattice Clock with Uncertainty of 1.3E-17

Die Zeit ist die grundlegendste Währung, die wir besitzen, doch unsere beste Methode, sie zu messen, war lange Zeit durch das langsame, schwere Schwingen eines Pendels aus vibrierenden Atomen begrenzt. Jahrzehntelang beruhte der internationale Standard für eine Sekunde auf Mikrowellensignalen von Cäsiumatomen – eine Methode, die zwar zuverlässig ist, aber eine winzige Fehlermarge hinterlässt, die sich im Laufe der Zeit akkumuliert. Wissenschaftler träumten schon lange von einer besseren Uhr, einer, die die viel schnelleren Schwingungen des Lichts selbst nutzt. Diese „optischen Uhren“ sind so präzise, dass eine solche Uhr, die seit Anbeginn des Universums gelaufen wäre, heute um weniger als eine Sekunde abweichen würde. Eine Uhr, die jedoch zu schnell ist, ist nutzlos, wenn wir ihren rasanten Schlag nicht in ein Signal übersetzen können, das wir für andere Zwecke verwenden können. Um diese Lücke zu schließen, benötigen Forscher ein Gerät, das den ultrapräzisen Takt einer optischen Uhr aufnehmen und verlangsamen oder beschleunigen kann, um ein neues, stabiles Laserlicht in jeder vom Benutzer gewünschten Farbe zu erzeugen, ohne dabei diese unglaubliche Genauigkeit zu verlieren. Dieses Gerät wird optischer Frequenzsynthesizer genannt und ist der Schlüssel dazu, die präzisesten Uhren der Welt in praktische Werkzeuge für die Wissenschaft zu verwandeln.

Ein Team von Forschern der East China Normal University in Shanghai hat nun ein solches Gerät gebaut und demonstriert, dass es mit außergewöhnlicher Treue funktioniert. Sie entwickelten ein System, das das Signal ihrer eigenen hochmodernen Ytterbium-optischen-Gitteruhr aufnimmt und dieses nutzt, um einen neuen, einfarbigen Laserstrahl zu erzeugen. Die Schönheit ihrer Arbeit liegt in der Tatsache, dass der neue Laser die Perfektion der ursprünglichen Uhr erbt. Die Forscher fanden heraus, dass die Unsicherheit ihres Endsignals unglaublich klein ist und lediglich 1,3 mal 10 hoch minus 17 beträgt. Um dies einzuordnen: Wenn diese Uhr über die gesamte Lebensdauer des Universums gelaufen wäre, hätte sie weniger als eine Sekunde verloren. Dieses Maß an Präzision bedeutet, dass das Gerät nun als Referenz dienen kann, die in der Lage ist, stabiles Licht bei fast jeder Wellenlänge zu erzeugen, die Wissenschaftler benötigen könnten – vom sichtbaren Spektrum bis in den Infrarotbereich – und dabei dieselbe strenge Genauigkeit wie die Uhr selbst beibehält.

Das Herzstück dieser Errungenschaft ist eine kluge Methode zur Teilung der Frequenz der Uhr. Stellen Sie sich das Licht der Uhr wie einen Hochgeschwindigkeitszug vor, der auf einem Gleis fährt. Die Forscher mussten einen neuen Zug erstellen, der mit einer bestimmten, langsameren Geschwindigkeit fährt, aber sie wollten sicherstellen, dass der neue Zug niemals vom Kurs abkommt. Sie verwendeten ein Werkzeug namens optischer Frequenzkamm, der wie ein präzises Lineal aus Licht fungiert, um die Frequenz der Uhr zu messen und zu teilen. Indem sie ihren Ausgangslaser an dieses Lineal koppelten, stellten sie sicher, dass jedes winzige Wackeln der Uhr perfekt auf den neuen Laser übertragen wurde. Das System ist so stabil, dass die durch den Teilungsprozess eingeführten Fehler vernachlässigbar sind, weit kleiner als die natürlichen Grenzen der Uhr selbst. Dies bedeutet, dass die Qualität des Ausgangssignals fast ausschließlich durch die Qualität der Uhr bestimmt wird, welche in diesem Fall eine der besten der Welt ist.

Um zu verstehen, warum dieses Ergebnis so bedeutend ist, muss man sich die Uhr selbst ansehen. Die Forscher nutzten ein Lichtgitter, um tausende von Ytterbium-Atomen einzufangen und sie stationär zu halten, damit sie ohne die Störung durch Hitze oder Bewegung gemessen werden konnten. Sie kühlten diese Atome auf Temperaturen von nur einem Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt ab, indem sie eine Technik namens Seitenbandkühlung anwandten, um sie in ihren niedrigstmöglichen Energiezustand zu bringen. Selbst bei diesen extremen Temperaturen sind die Atome noch immer von ihrer Umgebung betroffen. Die Forscher mussten die Wärme berücksichtigen, die von den Wänden ihrer Vakuumkammer strahlt – bekannt als Schwarzkörperstrahlung –, welche die Atome leicht beeinflussen und den Takt der Uhr verändern kann. Sie mussten auch die Lichtverschiebung korrigieren, die durch genau die Laser verursacht wird, die die Atome an ihrem Platz halten. Durch die sorgfältige Messung und Korrektur dieser Effekte stellten sie fest, dass ihre Uhr primär durch diese zwei Faktoren begrenzt wird: die Wärme des Raumes und das Licht, das die Atome hält.

Das Team hat die Maschine nicht nur gebaut, sondern hat auch jede mögliche Fehlerquelle streng getestet, um genau zu wissen, wie gut sie ist. Sie maßen die Temperatur ihrer Vakuumkammer mit hochpräzisen Sensoren und berechneten den Effekt der Wärmestrahlung, wobei sie feststellten, dass dies die größte Quelle der Unsicherheit war. Sie analysierten auch die Lichtverschiebungen der Gitter- und der Sondelaser, um sicherzustellen, dass die Atome nicht auf eine Weise gedrückt oder gezogen werden, die die Zeitmessung verzerren könnte. Sie überprüften sogar den Einfluss von Streumagnetfeldern und Kollisionen mit Hintergrundgas. Nachdem sie jeden bekannten Faktor berücksichtigt hatten, blieb die Gesamtunsicherheit bei jener bemerkenswerten Größe von 1,3 mal 10 hoch minus 17. Dieses Maß an Gewissheit beweist, dass der optische Frequenzsynthesizer nicht nur ein theoretisches Konzept ist, sondern eine funktionierende Realität, die nun genutzt werden kann, um das Universum mit beispielloser Sensitivität zu erforschen.

Die Auswirkungen dieser Arbeit reichen weit über das bloße exaktere Zeithalten hinaus. Mit einem Werkzeug, das stabiles Licht bei jeder Frequenz mit solcher Genauigkeit erzeugen kann, können Wissenschaftler nun nach Veränderungen der fundamentalen Naturkonstanten suchen und prüfen, ob sich die Gesetze der Physik im Laufe der Zeit ändern könnten. Es öffnet die Tür zur Detektion dunkler Materie und zum Testen von Gravitationstheorien mit einer Präzision, die zuvor unmöglich war. Die Forscher blicken bereits voraus und planen, ihre Uhr weiter zu verbessern, indem sie die Atome noch effektiver vor Hitze und elektrischen Feldern abschirmen, mit dem Ziel, die Unsicherheit auf das Niveau von 10 hoch minus 18 zu senken. Für den Moment haben sie erfolgreich demonstriert, dass die Brücke zwischen der ultraschnellen Welt der optischen Uhren und der praktischen Welt der nutzbaren Laser solide, stabil und bereit für die nächsten großen Entdeckungen der Physik ist.